СУ-76 была совместно разработана конструкторскими бюро завода № 38 в г. Киров летом 1942 года, большую роль в создании самоходки сыграл Семён Александрович Гинзбург, он контролировал и непосредственно руководил работами по её созданию. За низкое качество первых самоходных установок СУ-76 был отстранён от должности и направлен в действующую армию. Первые машины этого типа были выпущены поздней осенью 1942 года, причём они были оснащены заведомо неудачной силовой установкой из двух параллельно установленных автомобильных бензиновых двигателей ГАЗ-202 мощностью 70 л.с. Эта силовая установка была очень сложна в управлении и вызывала сильные крутильные колебания элементов трансмиссии, что приводило к их быстрой поломке. Изначально САУ была полностью бронирована, что приводило к неудобству работы экипажа в боевом отделении. Эти недостатки вскрылись во время первого боевого применения советских серийных САУ на Волховском фронте, поэтому после выпуска 320 машин серийное производство СУ-76 было остановлено и конструкция была отправлена на доработку. Однако большая надобность РККА в самоходной артиллерии привела к половинчатому решению — оставить «параллельную» силовую установку и общую компоновку машины по той же схеме, но усилить её элементы с целью увеличения моторесурса. Эта модернизация (уже без бронированной крыши боевого отделения) получила название СУ-76М и пошла в серию летом 1943 года, ряд САУ этого варианта успел попасть на фронт к началу Курской битвы. Тем не менее, результат в целом оказался удручающим. Одним из главных виновников по результатам внутреннего расследования был назван С. А. Гинзбург, который был отстранён от конструкторской работы и послан на фронт, где погиб. Возможно, в таком развитии событий сыграли значение напряжённые отношения между конструктором и народным комиссаром танковой промышленности И. М. Зальцманом.

Тем не менее, необходимость в лёгкой САУ была настолько острой, что вернувшийся на пост народного комиссара танковой промышленности В. А. Малышев (гибель С. А. Гинзбурга была одной из причин отставки И. М. Зальцмана с этой должности) объявил конкурс на лучший проект машины такого типа. В нём приняли участие коллективы завода № 38 под руководством Н. А. Попова и Горьковского Автомобильного Завода (ГАЗ) под руководством Н. А. Астрова, главного разработчика всей отечественной линейки лёгких и плавающих танков. Их прототипы отличались по ряду элементов конструкции, но главным их новшеством было использование спаренной установки двигателей ГАЗ-203 от лёгкого танка Т-70, в которой оба мотора располагались последовательно и работали на общий вал. Соответственно, машина была перекомпонована, чтобы вместить в себя большую по длине силовую установку. С конца 1943 года (после снятия с серийного производства лёгких танков Т-70 и Т-80) оба этих завода, а также вновь организованный завод № 40 в г. Мытищи начали крупносерийное производство лёгкой САУ с силовой установкой ГАЗ-203, которая получила армейский индекс СУ-76 (тот же, что и первоначальный вариант, без индекса «М»). В результате СУ-76 (всех моделей) стала самой массовой после Т-34 боевой бронированной машиной в Красной Армии. Всего было выпущено 13932 модернизированных СУ-76, из них 9133 самоходки построил ГАЗ. Серийное производство СУ-76М завершилось в 1945 году, несколькими годами позже они были сняты с вооружения Советской Армии.

На базе СУ-76 поздних выпусков в 1944 г. была построена первая полноценная советская зенитная самоходная установка ЗСУ-37. Она выпускалась серийно и после снятия базовой модели с производства.